CN111865000B - 从变频器输出端中性点取电的电机编码器供电方法和系统 - Google Patents

从变频器输出端中性点取电的电机编码器供电方法和系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种从变频器输出端中性点取电的电机编码器供电方法和系统，属于交流电机与驱动控制领域。方法包括：通过无零矢量脉宽调制方法改善电机定子绕组中性点处共模电压波形，使共模电压由四电平转化为两电平；对抑制后的共模电压进行整流，将两电平的共模电压转换为直流电压；对整流得到的直流电压进行电压变换，使其转换为编码器供电需要的电压水平后，为编码器供电。本发明省去了为编码器供电所引出的直流弱电供电电缆，使电机与变频器之间的电气连接更加简洁，避免了工业机器人等电机在多自由度空间运动的应用场合出现编码器供电电缆缠绕的问题；增加了设备运行时的灵活性；同时本发明在电机不同运行工况下均能为编码器提供稳定电源。

Description

从变频器输出端中性点取电的电机编码器供电方法和系统
技术领域
本发明属于交流电机与驱动控制领域，更具体地，涉及从变频器输出端中性点取电的电机编码器供电方法和系统。
背景技术
伺服系统是指能够快速、准确地跟随控制机构发出的位置、速度、转矩等指令的执行系统，又称为随动系统。伺服电机是伺服系统的执行机构，是整个系统的核心部件，其性能的好坏直接关系到整个伺服控制系统的性能。任何一个高性能的伺服电机中都包含一个关键器件，即编码器。
编码器在工作时由二极管发光并进行信号的检测和处理，用于电极转子实时位置及转速的测量，为完成这些工作，工程上需要一根额外的直流供电电缆为其供电。在工业机器人现代化场景中，多出的线会降低设备的灵活性和工作效能，增加设备运行时的安全隐患，同时也增加了一定成本，工程师们在寻找一种更加简洁的连接方法，即取消光电编码器至控制器之间的连接电缆。
专利CN201320380889.1公开了一种基于韦根效应的旋转自供电式多圈绝对值编码器。该方案利用韦根传感器的发电功能为编码器提供电源，将转轴转动时的动能转化为电能，无需电源线和加装电池。但由于电能的能量来源是转轴的动能，在电机低速甚至停转时，转轴动能很小，编码器难以获取足够的供电功率，进而导致失电等问题，这种缺陷制约了韦根效应自供电式编码器的发展。
另一种方案是从电机输入端三相驱动母线上取电，这种方案电源处理部分较为复杂，并且电机的绝缘性能和密封性会受到影响，会破坏供电电源的平衡，所以应用比较少。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种从变频器输出端中性点取电的电机编码器供电方法和系统，其目的在于在电机不同运行工况下对编码器进行稳定供电，同时避免采用额外电源线所造成的安全隐患和应用不便。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种从变频器输出端中性点取电的电机编码器供电方法，包括：
S1.利用无零矢量脉宽调制对变频器输出端中性点处的共模电压进行抑制，使共模电压由四电平电压转化为一对大小相等幅值相反的两电平电压；
S2.对抑制后的共模电压进行整流，将两电平的共模电压转换为直流电压；
S3.对整流得到的直流电压进行电压变换，使其转换为编码器供电需要的电压水平后，为编码器供电。
进一步地，电机定子绕组中性点处的共模电压Vcm为：
Figure BDA0002617673190000021
其中，Vdc表示直流母线电压。
进一步地，采用载波移相实现无零矢量脉宽调制。
进一步地，抑制后的共模电压为
Figure BDA0002617673190000022
进一步地，采用隔离型DC-DC变换器对整流得到的直流电压进行电压变换。
进一步地，采用反激式变换器作为隔离型DC-DC变换器。
按照本发明的另一方面，提供了一种从变频器输出端中性点取电的电机编码器供电系统，包括：
共摸电压抑制模块，利用无零矢量脉宽调制对变频器输出端中性点处的共模电压进行抑制，使共模电压由四电平电压转化为一对幅值较小的两电平电压；
整流模块，对抑制后的共模电压进行整流，将两电平的共模电压转换为直流电压；
电压变换模块，对整流得到的直流电压进行电压变换，使其转换为编码器供电需要的电压水平后，为编码器供电。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果。
(1)本发明相比于传统的电缆线供电方式，省去了编码器电源线，简化了电机与变频器之间的电气连接，降低了成本，同时提高了工业机器人运作的灵活性，降低了安全隐患。
(2)本发明相比于韦根效应自供电式编码器，减少了对电机转子动态性能的影响，解决了电机在低速甚至停转情况下功率不足的问题，提高了编码器供电的稳定性。
(3)本发明相比于从电机输入端功率母线上取电的方案，电源变换器部分更加简洁，维持了三相负载的对称性，保护了电机的绝缘性和密封性，更具有工业应用前景。
附图说明
图1是本发明提供的一种从变频器输出端中性点取电的电机编码器供电方法示意图；
图2采用本发明供电方法对编码器供电过程中的共摸电压波形变化图；
图3是典型逆变器驱动电路图；
图4是逆变器驱动电机系统原本存在的共模电压波形图；
图5(a)是载波移相PWM技术中三个耦合载波的波形示意图；
图5(b)是载波移相PWM技术中载波与调制波比较关系图；
图6是本发明提供的共模电压改善前后波形对比图；
图7本发明提供的共模电压经过改善和整流后的波形对比图；
图8(a)-(f)是本发明提供的不同调制度下输出波形图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明实施例提供了一种从变频器输出端中性点取电的电机编码器供电方法，该方法如图1所示，供电过程中共摸电压变化过程如图2所示，方法具体包括以下步骤：
S1.采用无零矢量脉宽调制方法对变频器输出端中性点处的共模电压进行抑制，使共模电压由四电平电压转化为一对幅值较小的两电平电压；
针对编码器不单独引供电电缆，如何供电的问题，直观看起来，主要有两种解决思路，一是“就近取电”的原则，从三相驱动母线上取电或是从变频器输出端中性点取电，二是采用自供电方式，从转子转轴的机械运动中取电。自供电的方式并不能获得稳定的电压和功率，从驱动母线上取电电源设计部分较为复杂，会破坏三相负载的对称性，因此，本发明考虑采取共模电压对编码器供电的方式。
在电压源PWM变频器驱动系统中普遍存在共模电压，典型的逆变器驱动电机系统如图3所示。以永磁同步电机为例，O点为直流电压侧Vdc的中点，Vcm为共模电压。V1、V2、V3为电机端对地电压，它的数学模型可用如下一组微分方程表示：
Figure BDA0002617673190000051
其中，Ri是电机每相的等效电阻，Li是电机每相的等效电感，i1n、i2n、i3n分别是流入电机绕组的相电流。将上述三个方程相加得到：
Figure BDA0002617673190000052
在三相对称绕组中，(i1n+i2n+i3n)≈0，所以三相电机的共模电压可表示为：
Figure BDA0002617673190000053
如果V1、V2、V3是三相相差120°的连续正弦波，则V1+V2+V3＝0，即三相电机中性点处无共模电压。然而逆变器是在PWM调制的原理下工作，由于开关管的导通与关断，V1、V2、V3是由一个个高频离散的脉冲组成，
在每个时刻输出的V1o+V2o+V3o不为零，一共有4个输出状态：
Figure BDA0002617673190000054
又由于V1＝V1o+Vog,此时电机端的共模电压表示为：
Figure BDA0002617673190000055
Vog是直流母线电压中点和大地之间的电压，Vog和共模电压Vcm相比值很小且变化很慢，所以可将Vog忽略，Vcm≈Vog，则有
Figure BDA0002617673190000056
故共模电压波形如图4所示。
由以上分析可知，变频器只要采用PWM调制的控制策略，就会在变频器输出端中性点处产生共模电压，高频的共模电压会和电机中的寄生电容发生电磁能量耦合，产生轴电压、轴承电流、漏电流等一系列不利因素，会加速了电机轴承的老化，对周围电力设备产生电磁干扰等。许多学者致力于改善共模电压波形，抑制共模电压，在此不一一赘述，本发明将通过改善共模电压波形，经过软件调制和硬件电路的设计，使共模电压转化成直流电为编码器供电，实现共模电压的利用。
共模电压Vcm幅值存在
Figure BDA0002617673190000061
Figure BDA0002617673190000062
两种状态，且在零矢量时对应高电平
Figure BDA0002617673190000063
本发明采用无零矢量脉宽调制(NZPWM)对共摸电压进行抑制。无零矢量脉宽调制(NZPWM)共模电压抑制机理就是不使用共模电压幅值为
Figure BDA0002617673190000064
的状态，也即不使用零矢量，使得逆变器输出共模电压只有幅值为
Figure BDA0002617673190000065
的状态，从而实现共模电压的抑制。在低调制度(载波比小于0.667)情况下，载波移相PWM技术是一种无零矢量脉宽调制的方法，用三个耦合载波tri1(t)、tri2(t)和tri3(t)代替了SPWM单个时基，如图5(a)所示，每一个载波被移位1/3的开关周期，正如三相调制波被移位1/3的输出周期，载波与调制波比较关系如图5(b)所示。通过载波移相的方法，可使原来四电平的共模电压变为一对大小相同，极性相反的两电平方波电压，如图6所示(改善后的共模电压)。该方法易于实现，不会影响原有电机驱动控制策略，便于工业上的推广。
S2.对抑制后的共模电压进行整流，将两电平的共模电压转换为直流电压；整流后的共模电压波形如图7所示。
S3.对整流得到的直流电压进行电压变换，使其转换为编码器供电需要的电压水平后，为编码器供电。
具体地，共模电压走的是电机驱动功率母线，属于强电范畴，编码器功率小，走的是信号线，属于弱电范畴，这就需要在强电与弱电之间增加电气隔离，稳压电源模块也需要选择隔离型DC-DC变换器。由于反激变换器结构简单，成本低，体积小，本发明优选其作为DC-DC变换器。反激电路闭环中的控制器是比例积分(PI)调节器，给定电压与实际输出电压为反馈量，二者进行比较，差值进入控制器不断调整输出，从而改变开关管占空比，最终将整流后的共模电压变为指定大小的直流电压。
本发明实施例还对本发明所提出的供电方法有效性进行了验证，具体过程如下。
为保证编码器供电电源的稳定性，需要电机在不同转速下供电电压都能稳定在一个定值。在三相同步电机中，同步电动机的转速n等于同步转速n1，即
Figure BDA0002617673190000071
而同步电机有确定的极对数np，所以同步电动机的调速只能是改变电源频率的变频调速。
若忽略定子绕组电阻和漏磁感抗压降，定子相电压Us可表示为：
Figure BDA0002617673190000076
其中，Eg是气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值，f1是相电压频率，Ns是定子每相绕组串联匝数，
Figure BDA0002617673190000075
是定子基波绕组系数，Φm是每极气隙磁通量。
磁通过小不能充分利用电机铁心，过大会使铁心饱和。为保持磁通恒定，当频率f1向下调节时，必须同时降低Us，使
Figure BDA0002617673190000072
在SPWM调制下，相电压基波分量us1和调制度M的关系为：
Figure BDA0002617673190000073
相电压基波频率由调制波频率f0决定，所以应同时改变调制度M和调制频率f0，使磁通维持在一个定值，即
Figure BDA0002617673190000074
若额定转速时有M＝1，f0＝50Hz，则有M＝0.8，f0＝40Hz，以此类推。本发明实施例整理了在功率为2.5W，M由1到0.02，f0由50到1Hz变化时共模电压、整流桥后的共模电压、DC-DC输出电压的波形图，如图8(a)-(f)所示。可以看到，DC-DC输出电压总能稳定到10V，本发明方法能够实现在电机不同运转工况下为编码器稳定供电。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种从变频器输出端中性点取电的电机编码器供电方法，其特征在于，包括：
S1.利用无零矢量脉宽调制对变频器输出端中性点处的共模电压进行改善，使共模电压由四电平电压转化为一对大小相等幅值相反的两电平电压；共模电压Vcm为：
Figure FDA0003423559710000011
其中，Vdc表示直流母线电压；
S2.对改善后的共模电压进行整流，将两电平的共模电压转换为直流电压；
S3.对整流得到的直流电压进行电压变换，使其转换为编码器供电需要的电压水平后，为编码器供电。
2.根据权利要求1所述的一种从变频器输出端中性点取电的电机编码器供电方法，其特征在于，采用载波移相实现无零矢量脉宽调制。
3.根据权利要求2所述的一种从变频器输出端中性点取电的电机编码器供电方法，其特征在于，改善后的共模电压为
Figure FDA0003423559710000012
4.根据权利要求2所述的一种从变频器输出端中性点取电的电机编码器供电方法，其特征在于，采用隔离型DC-DC变换器对整流得到的直流电压进行电压变换。
5.根据权利要求4所述的一种从变频器输出端中性点取电的电机编码器供电方法，其特征在于，采用反激式变换器作为隔离型DC-DC变换器。
6.一种从变频器输出端中性点取电的电机编码器供电系统，其特征在于，包括：
共摸电压改善模块，利用无零矢量脉宽调制对变频器输出端中性点处的共模电压进行改善，使共模电压由四电平电压转化为一对大小相等幅值相反的两电平电压；共模电压Vcm为：
Figure FDA0003423559710000021
其中，Vdc表示直流母线电压；
整流模块，对改善后的共模电压进行整流，将两电平的共模电压转换为直流电压；
电压变换模块，对整流得到的直流电压进行电压变换，使其转换为编码器供电需要的电压水平后，为编码器供电。
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